本发明涉及轨道交通设备
技术领域：
，特别涉及一种塑料轨枕及其制备方法。
背景技术：
：目前，铁路上使用的轨枕大部分是木枕和水泥枕，在西欧和日本有少部分使用的是钢枕。木枕使用过程中需要耗费大量的木材，一公里铁路所消耗的木材达到了600m3左右，对环境和资源造成的巨大破坏；另一方面木枕不耐腐蚀，在温度、湿度、暴晒、雨雪、冻融等综合作用下，一般5-10年就会造成木枕开裂、腐烂；若再一个在木枕上刷涂防腐油剂，不仅生产过程污染环境，并且在使用过程中也对铁路沿线造成污染。水泥枕虽然耐腐蚀，但是由于混凝土重量大、弹性差，造成施工相对困难，并且使其在桥梁上的应用受到限制。钢枕在使用过程中同样存在腐蚀、弹性差的问题，因此在世界范围内使用的量不高。针对上述轨枕的不足，已有厂商开发了聚氨酯合成轨枕，该种合成轨枕采用玻璃纤维连续增强聚氨酯泡沫作为基本材料，具有优良的抗腐蚀性和良好的弹性，具有巨大的性能优势。但是该种轨枕的成本高，并且由于采用的聚氨酯泡沫是热固性塑料，不具有可回收性。目前已开发的另一种复合轨枕是采用回收塑料作为基体，辅以少量的改性塑料，通过挤出或模压进行成型制备。轨枕铺设在铁路沿线，其受到地表温度影响巨大，尤其是夏季，极易由于受到太阳直射造成轨温超过60℃。在我国发布的《TB10082-2005铁路轨道设计规范》中，在其附录D中列举了我国主要地区夏季的轨温，具有典型代表的地区轨温如表1所示。表1典型地区夏季最高轨温从表1可以看出，许多地区的塑料轨枕在使用过程中会在夏季的相当长一段时间内承受60℃以上的温度，这就要求塑料轨枕在这种温度下要具有保持其刚度、弯曲强度以及道钉抗拔力的能力。在已经发表的专利中，EaglebrookProductsInc.公司采用较纯的HDPE来制备木材代用品，PolywoodInc.公司采用HDPE含量为50-70％的材料来制备塑料轨枕；申请号为ZL00804450.3的中国专利中公布了一种采用聚苯乙烯组分为20-50％(重量)和50-80％(重量)聚烯烃组分的塑料轨枕。上述专利中的主体材料都是采用聚烯烃材料，特别是大量采用HDPE材料。根据化学工业出版社2005年出版《中国材料工程大典第6卷高分子材料工程》第95页和化学工业出版社2002年出版的《常用合成树脂性能和应用手册》第55页中关于HDPE的性能介绍，HDPE不同牌号的热变形温度一般为60-82℃。HDPE制品的工作环境一旦到了热变形温度区间，其高分子链就会在外力下产生蠕变并在宏观上表现为其在受力作用下产生材料变形，进而失去整体的刚度，并且力学性能会急剧下降。从表1中的全国各地夏季最高轨温分布可以看出，全国大部分地区的最高轨温都已经达到了HDPE的热变形温度，在此温度下对塑料轨枕的力学性能、道钉抗拔能力提出了严峻的考验。由于公开资料中尚未发表HDPE作为主要材料的道钉抗拔能力，因此按照申请号为ZL00804450.3的中国专利中公布的配方，采用聚苯乙烯组分为25重量％和75重量％聚烯烃组分的塑料轨枕，按照美国铁路工程技术手册AREMA第30章的要求，进行了直径为22mm道钉在不同温度下的抗拔能力测试，测试所得的不同温度下道钉抗拔能力见表2。表2不同温度下HDPE塑料轨枕的Φ22mm道钉抗拔能力测试温度Φ22mm道钉抗拔力4℃102kN18℃97kN43℃39kN60℃32kN在我国现行的混凝土轨枕螺纹道钉抗拔力测试中，规定螺纹道钉的抗拔力不低于60kN，从上述实测数据来看，直接采用HDPE作为主体的塑料轨枕由于螺纹道钉抗拔力在高温下达不到规范要求，可能会造成螺纹道钉被拔出，进而有可能造成脱轨风险，引起重大运行安全和人身财产损失。因此，提供一种具有高抗拔力的塑料轨枕是本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。技术实现要素：有鉴于此，本发明旨在提出一种塑料轨枕及其制备方法，以解决现有塑料轨枕抗拔力低、安全性差的问题。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种塑料轨枕的制备方法，包括以下步骤：(1)一次挤出：将聚丙烯、聚苯乙烯和HDPE混合，进行一次挤出造粒，得高分子粒子；(2)二次挤出：将高分子粒子与无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂混合，进行二次挤出，得二次挤出混合物；(3)成型：将二次挤出混合物导入模具，将模具压实并闭合；(4)冷却：将闭合的模具浸入冷却液中进行冷却；(5)获取成品：拆除模具，得到塑料轨枕成品。进一步的，所述制备方法包括以下步骤：(1)一次挤出：以重量份计，将50～90份的聚丙烯、10～30份的聚苯乙烯和5～15份的HDPE混合，并通过单螺杆进行一次挤出造粒，得高分子粒子；(2)二次挤出：将高分子粒子与无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂混合，进行二次挤出，得二次挤出混合物；(3)成型：将二次挤出混合物导入模具，将模具压实并闭合；(4)冷却：将闭合的模具浸入冷却液中进行冷却；(5)获取成品：拆除模具，得塑料轨枕毛坯，修理塑料轨枕毛坯的飞边，得到塑料轨枕成品。进一步的，所述无机填料、防老剂、抗氧剂和偶联剂的总重量为所述高分子粒子重量的10％～50％。进一步的，所述制备方法包括以下步骤：(1)一次挤出：以重量份计，将70份的聚丙烯、20份的聚苯乙烯和10份的HDPE混合，并通过单螺杆进行一次挤出造粒，得高分子粒子；(2)二次挤出：将高分子粒子与无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂混合，进行二次挤出，得二次挤出混合物，其中，所述无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂的总重量为所述高分子粒子重量的30％；(3)成型：将二次挤出混合物导入模具，将模具压实并闭合；(4)冷却：将闭合的模具浸入冷却液中进行冷却，冷却时间≥12h；(5)获取成品：将模具从冷却液中取出，拆除模具壁板，得塑料轨枕毛坯，修理塑料轨枕毛坯外表面的飞边，得到塑料轨枕成品。进一步的，所述制备方法包括以下步骤：(1)一次挤出：以重量份计，将70份的聚丙烯、20份的聚苯乙烯、10份的HDPE和一定量的玻璃纤维混合，并通过单螺杆进行一次挤出造粒，得高分子粒子；(2)二次挤出：将高分子粒子与无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂混合，进行二次挤出，得二次挤出混合物；(3)成型：将二次挤出混合物导入模具，将模具压实并闭合；(4)冷却：将闭合的模具浸入冷却液中进行冷却，冷却时间≥12h；(5)获取成品：将模具从冷却液中取出，拆除模具壁板，得塑料轨枕毛坯，修理塑料轨枕毛坯外表面的飞边，得到塑料轨枕成品。进一步的，所述制备方法包括以下步骤：(1)一次挤出：以重量份计，将70份的聚丙烯、20份的聚苯乙烯、10份的HDPE和20份的玻璃纤维混合，并通过单螺杆进行一次挤出造粒，得高分子粒子；(2)二次挤出：将高分子粒子与无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂混合，进行二次挤出，得二次挤出混合物；(3)成型：将二次挤出混合物导入模具，将模具压实并闭合；(4)冷却：将闭合的模具浸入冷却液中进行冷却、冷却时间≥12h；(5)获取成品：将模具从冷却液中取出，拆除模具壁板，得塑料轨枕毛坯，修理塑料轨枕毛坯外表面的飞边，得到塑料轨枕成品。进一步的，所述步骤(1)中还添加有ABS和/或LLDPE。进一步的，所述无机填料是云母、滑石粉、轻质碳酸钙、重质碳酸钙、高岭土、蒙脱土中的一种或几种。进一步的，所述步骤(2)中还添加有增塑剂和/或紫外线吸收剂。一种塑料轨枕，所述塑料轨枕通过上述的制备方法制得。相对于现有技术，本发明所述的塑料轨枕及其制备方法具有以下优势：本发明的塑料轨枕的主要原料是高温性能较好的聚丙烯、聚苯乙烯和HDPE，并通过添加玻璃纤维进一步提高其耐高温性能；本发明制备塑料轨枕时采用了多步骤进行成型，特别是首先将高分子原料混合物或将玻璃纤维与高分子原料混合物进行造粒，之后再与无机填料进行二次挤出，可以有效解决成型困难的问题。再者，本发明所提供的塑料轨枕在高温下抗拔力高、安全性能好，具有广泛的市场推广价值。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。具体的，本发明涉及一种塑料轨枕的制备方法，包括以下步骤：(1)一次挤出：将聚丙烯、聚苯乙烯和HDPE混合，进行一次挤出造粒，得高分子粒子；(2)二次挤出：将高分子粒子与无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂混合，进行二次挤出，得二次挤出混合物；(3)成型：将二次挤出混合物导入模具，将模具压实并闭合；(4)冷却：将闭合的模具浸入冷却液中进行冷却；(5)获取成品：拆除模具，得到塑料轨枕成品。所述塑料轨枕的主要原料是高温性能较好的聚丙烯，其热变形温度可达到100-110℃，具有良好的耐高温性能。本发明制备塑料轨枕时采用了多步骤进行成型，首先将高分子原料混合物进行造粒，之后再与无机填料混合、进行二次挤出，可以有效解决成型困难的问题。使得本发明所提供的塑料轨枕在高温下抗拔力高、安全性能好，具有广泛的市场推广价值。进一步的，所述制备方法包括以下步骤：(1)一次挤出：以重量份计，将50～90份的聚丙烯、10～30份的聚苯乙烯和5～15份的HDPE混合，并通过单螺杆进行一次挤出造粒，得高分子粒子；(2)二次挤出：将高分子粒子与无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂混合，进行二次挤出，得二次挤出混合物；(3)成型：将二次挤出混合物导入模具，将模具压实并闭合；(4)冷却：将闭合的模具浸入冷却液中进行冷却；(5)获取成品：拆除模具，得塑料轨枕毛坯，修理塑料轨枕毛坯的飞边，得到塑料轨枕成品。优选的，所述无机填料、防老剂、抗氧剂和偶联剂的总重量为所述高分子粒子重量的10％～50％。更优选的，所述制备方法包括以下步骤：(1)一次挤出：以重量份计，将70份的聚丙烯、20份的聚苯乙烯和10份的HDPE混合，并通过单螺杆进行一次挤出造粒，得高分子粒子；(2)二次挤出：将高分子粒子与无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂混合，进行二次挤出，得二次挤出混合物，其中，所述无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂的总重量为所述高分子粒子重量的30％；(3)成型：将二次挤出混合物导入模具，将模具压实并闭合；(4)冷却：将闭合的模具浸入冷却液中进行冷却，冷却时间≥12h；(5)获取成品：将模具从冷却液中取出，拆除模具壁板，得塑料轨枕毛坯，修理塑料轨枕毛坯外表面的飞边，得到塑料轨枕成品。更进一步的，所述制备方法包括以下步骤：(1)一次挤出：以重量份计，将70份的聚丙烯、20份的聚苯乙烯、10份的HDPE和一定量的玻璃纤维混合，并通过单螺杆进行一次挤出造粒，得高分子粒子；(2)二次挤出：将高分子粒子与无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂混合，进行二次挤出，得二次挤出混合物；(3)成型：将二次挤出混合物导入模具，将模具压实并闭合；(4)冷却：将闭合的模具浸入冷却液中进行冷却，冷却时间≥12h；(5)获取成品：将模具从冷却液中取出，拆除模具壁板，得塑料轨枕毛坯，修理塑料轨枕毛坯外表面的飞边，得到塑料轨枕成品。优选的，所述制备方法包括以下步骤：(1)一次挤出：以重量份计，将70份的聚丙烯、20份的聚苯乙烯、10份的HDPE和20份的玻璃纤维混合，并通过单螺杆进行一次挤出造粒，得高分子粒子；(2)二次挤出：将高分子粒子与无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂混合，进行二次挤出，得二次挤出混合物；(3)成型：将二次挤出混合物导入模具，将模具压实并闭合；(4)冷却：将闭合的模具浸入冷却液中进行冷却、冷却时间≥12h；(5)获取成品：将模具从冷却液中取出，拆除模具壁板，得塑料轨枕毛坯，修理塑料轨枕毛坯外表面的飞边，得到塑料轨枕成品。进一步的，所述步骤(1)中还添加有ABS和/或LLDPE。进一步的，所述无机填料是云母、滑石粉、轻质碳酸钙、重质碳酸钙、高岭土、蒙脱土中的一种或几种。进一步的，所述步骤(2)中还添加有增塑剂和/或紫外线吸收剂。本发明还提供一种塑料轨枕，所述塑料轨枕通过上述的制备方法制得。本发明所述塑料轨枕及其制备方法一方面，利用热变形温度高的塑料如聚苯乙烯、聚丙烯等作为塑料轨枕的主体材料，将塑料轨枕主体材料的热变形温度提升到90℃以上，保证塑料轨枕在夏季使用时具有足够的刚性、力学性能和螺纹道钉抗拔力；另一方面，本发明通过在塑料轨枕内部添加的一定量的玻璃纤维，用来增强塑料轨枕的力学性能，同时改善高温性能。由于玻璃纤维的弹性模量和拉伸强度是HDPE、聚丙烯、聚苯乙烯的几十倍，同时其熔点超过800℃，因而，采用玻璃纤维进行增强后，塑料轨枕的力学性能和热变形温度都有大的提高。此外，由于聚丙烯等原材料的熔点高、并且内部含有大量的玻璃纤维使得所述塑料轨枕成型困难，本分发明采用多阶段成型工艺来解决成型困难的问题。具体的，本发明先采用玻璃纤维与聚丙烯、聚苯乙烯和HDPE按照一定比例进行混合，并通过单螺杆进行挤出造粒，制造玻璃纤维增强聚丙烯、聚苯乙烯和HDPE的粒子；第二阶段，将已制备的玻璃纤维增强聚丙烯、聚苯乙烯和HDPE的粒子和无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂等通过双螺杆挤出机进行二次挤出；第三阶段，将第二阶段挤出的混合物直接导入模具，该模具型腔的形状与塑料轨枕的最终外形相同，但模具一端的壁板可伸缩，并可以提供一定的压力，用来对混合物进行压实；第四阶段，将闭合模具浸入冷却液中保持至少12h，以保证塑料轨枕完全冷却，避免由于不完全冷却而造成变形；第六阶段，将模具取出并拆除壁板，对塑料轨枕的毛坯进行检验，并修理由于模具缝隙而形成的飞边。下面将结合实施例来详细说明本发明。实施例1一种塑料轨枕，其制备方法依次包括以下步骤：(1)一次挤出：以重量份计，将70份的聚丙烯、20份的聚苯乙烯和10份的HDPE进行混合，并通过单螺杆进行挤出造粒，制造高分子粒子；(2)二次挤出：将步骤(1)制备的高分子粒子、无机填料、防老剂、抗氧剂和偶联剂通过双螺杆挤出机进行二次挤出，得二次挤出混合物，其中，所述无机填料、防老剂、抗氧剂和偶联剂的总重量为所述高分子粒子重量的30％，无机填料为云母填料；(3)成型：将步骤(2)制备的二次挤出混合物直接导入模具，将模具闭合并压实；该模具型腔的形状与塑料轨枕的最终外形相同，但模具一端的壁板可伸缩，并可以提供一定的压力，用来对混合物进行压实；(4)冷却：将闭合模具浸入冷却液中保持12h，以保证塑料轨枕完全冷却，避免由于不完全冷却而造成变形；(5)获取成品：将模具取出并拆除壁板，得塑料轨枕毛坯，对塑料轨枕毛坯进行检验，并修理其外表面由于模具缝隙而形成的飞边，最后得到塑料轨枕成品。实施例2一种塑料轨枕，其制备方法依次包括以下步骤：(1)一次挤出：以重量份计，将50份的聚丙烯、10份的聚苯乙烯和10份的HDPE进行混合，并通过单螺杆进行挤出造粒，制造高分子粒子；(2)二次挤出：将步骤(1)制备的高分子粒子、无机填料、防老剂、抗氧剂和偶联剂通过双螺杆挤出机进行二次挤出，得二次挤出混合物，其中，所述无机填料、防老剂、抗氧剂和偶联剂的总重量为所述高分子粒子重量的10％，无机填料为云母和滑石粉的混合物；(3)成型：将步骤(2)制备的二次挤出混合物直接导入模具，将模具闭合并压实；该模具型腔的形状与塑料轨枕的最终外形相同，但模具一端的壁板可伸缩，并可以提供一定的压力，用来对混合物进行压实；(4)冷却：将闭合模具浸入冷却液中保持14h，以保证塑料轨枕完全冷却，避免由于不完全冷却而造成变形；(5)获取成品：将模具取出并拆除壁板，得塑料轨枕毛坯，对塑料轨枕毛坯进行检验，并修理其外表面由于模具缝隙而形成的飞边，最后得到塑料轨枕成品。实施例3一种塑料轨枕，其制备方法依次包括以下步骤：(1)一次挤出：以重量份计，将90份的聚丙烯、30份的聚苯乙烯和15份的HDPE进行混合，并通过单螺杆进行挤出造粒，制造高分子粒子；(2)二次挤出：将步骤(1)制备的高分子粒子、无机填料、防老剂、抗氧剂和偶联剂通过双螺杆挤出机进行二次挤出，得二次挤出混合物，其中，所述无机填料、防老剂、抗氧剂和偶联剂的总重量为所述高分子粒子重量的50％，所述无机填料占所述无机填料、防老剂、抗氧剂和偶联剂的总重量的30％，所述无机填料为高岭土、蒙脱土和重质碳酸钙按照1:1:1的重量份混合得到的混合物；(3)成型：将步骤(2)制备的二次挤出混合物直接导入模具，将模具闭合并压实；该模具型腔的形状与塑料轨枕的最终外形相同，但模具一端的壁板可伸缩，并可以提供一定的压力，用来对混合物进行压实；(4)冷却：将闭合模具浸入冷却液中保持16h，以保证塑料轨枕完全冷却，避免由于不完全冷却而造成变形；(5)获取成品：将模具取出并拆除壁板，得塑料轨枕毛坯，对塑料轨枕毛坯进行检验，并修理其外表面由于模具缝隙而形成的飞边，最后得到塑料轨枕成品。实施例4一种塑料轨枕，其制备方法依次包括以下步骤：(1)一次挤出：以重量份计，将70份的聚丙烯、20份的聚苯乙烯、10份的HDPE和20份的玻璃纤维短切纤维进行混合，并通过单螺杆进行挤出造粒，制备高分子粒子；(2)二次挤出：将步骤(1)制备的高分子粒子、无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂混合，进行二次挤出，得二次挤出混合物；其中，所述无机填料、防老剂、抗氧剂、偶联剂的总重量为所述高分子粒子重量的30％，无机填料为云母填料；(3)成型：将步骤(2)得到的二次挤出混合物直接导入模具，并将模具闭合并压实；所述模具型腔的形状与塑料轨枕的最终外形相同，但模具一端的壁板可伸缩，并可以提供一定的压力，用来对混合物进行压实；(4)冷却：将闭合模具浸入冷却液中保持12h，以保证塑料轨枕完全冷却，避免由于不完全冷却而造成变形；(5)获取成品：将模具取出并拆除壁板，得塑料轨枕毛坯，对塑料轨枕毛坯进行检验，并修理其外表面由于模具缝隙而形成的飞边，最后得到塑料轨枕成品。实验例1对实施例1所制备的塑料轨枕按照美国铁路工程技术手册AREMA第30章的要求，在不同温度下的螺纹道钉抗拔能力进行测试，结果见表3：表3实施例1所制备塑料轨枕的螺纹道钉抗拔能力测试温度Φ22mm道钉抗拔力18℃102kN60℃63kN通过表3可以看出，实施例1所制备的塑料轨枕在60℃时其螺纹道钉抗拔能力达到63kN，能够满足使用需求。对比表2和表3，说明实施例1所制备的塑料轨枕可以明显提高轨枕在轨道环境温度60℃时的螺纹道钉抗拔能力，具有更高的安全性。实验例2对实施例4所制备的塑料轨枕按照美国铁路工程技术手册AREMA第30章的要求，在不同温度下的螺纹道钉抗拔能力进行测试，结果见表4：表4实施例4所制备塑料轨枕的螺纹道钉抗拔能力测试温度Φ22mm道钉抗拔力18℃109kN60℃71kN对比表3和表4，可以发现：通过玻璃纤维增强，可以进一步提高在轨道环境温度高温下的螺纹道钉抗拔能力，在60℃时其螺纹道钉抗拔能力达到71kN，可完全满足塑料轨枕的使用需求。实验例3采用占配方重量分数30％的玻璃纤维对聚丙烯进行增强，并对采用玻璃纤维增强后的聚丙烯性能和未采用玻璃纤维增强的聚丙烯的力学性能和热变形温度分别进行测试，结果见表5：表5聚丙烯和玻璃纤维增强聚丙烯的力学性能和热变形温度测试结果性能测试标准实施例1(未增强)实施例4(30％玻纤增强)拉伸强度/MPaGB/T1040.228.955.1热变形温度/℃GB/T1634102121通过表5可以看出：采用玻璃纤维进行增强后，聚丙烯的力学性能和热变形温度都有大的提高。综上所述，不难发现，本发明具有以上优点：本发明的塑料轨枕的主要原料是高温性能较好的聚丙烯、聚苯乙烯和HDPE，并通过添加玻璃纤维进一步提高其耐高温性能；本发明制备塑料轨枕时采用了多步骤进行成型，特别是首先将玻璃纤维与高分子进行造粒，之后再与无机填料进行二次挤出，克服了聚丙烯的熔点高，并且内部含有大量的玻璃纤维所造成的成型困难。总之，本发明所提供的塑料轨枕在高温下抗拔力高、安全性能好，具有广泛的市场推广价值。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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